美国宇航局戈达德太空飞行中心的唐娜·韦弗 左图:这是哈勃近红外照相机和多目标光谱仪在1998年拍摄的恒星HR 8799的图像
照相机(日冕)内的一个面罩挡住了来自恒星的大部分光线
天文学家还使用软件以数字方式减去更多的星光
然而，来自HR 8799的散射光占据了图像，模糊了后来从地面观测中发现的四颗微弱的行星
右图:2011年对NICMOS数据的重新分析发现了1998年图像中没有的三颗系外行星
韦伯将用天文学家很少用来拍摄遥远世界的红外波长探测行星的大气层
信用:美国国家航空航天局，欧洲航天局，和R
Soummer (STScI) 在20世纪90年代首次发现围绕其他恒星的行星之前，这些遥远的异国世界只存在于科幻小说作家的想象中
但是即使是他们的创造性思维也无法想象天文学家已经发现的各种世界
许多被称为系外行星的世界与我们太阳系的行星家族有很大不同
它们的范围从拥抱恒星的“热木星”到被称为“超级地球”的超大岩石行星
“我们的宇宙显然比小说更奇怪
看到这些遥远的世界并不容易，因为它们会迷失在宿主恒星的耀眼光芒中
试图发现它们就像努力看到一只萤火虫在灯塔辉煌的灯塔旁边盘旋
这就是为什么天文学家使用间接技术识别了迄今为止发现的4000多颗系外行星中的大多数，例如通过恒星的轻微摆动或当一颗行星经过它的前方时它意外的变暗，阻挡了一些星光
然而，这些技术最适用于靠近恒星运行的行星，天文学家可以在行星完成轨道运行的几周甚至几天内探测到变化
但是，只发现掠星行星并不能为天文学家提供一个恒星系统中所有可能世界的全面图像
这张示意图显示了远离附近恒星HR 8799的四颗系外行星的位置
由于轨道平面相对于我们视线的轻微倾斜，轨道看起来拉长了
HR 8799行星系统的大小与我们的太阳系相当，如海王星轨道所示，按比例显示
信用:美国国家航空航天局，欧洲航天局，和R
Soummer (STScI) 研究人员在寻找系外行星(围绕其他恒星运行的行星)时使用的另一种技术是专注于远离恒星眩目眩光的行星
科学家们发现了年轻的系外行星，它们非常热，以至于在红外光下会发光，使用了特殊的成像技术来阻挡来自恒星的眩光
这样就可以直接看到和研究一些系外行星
美国宇航局即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜将帮助天文学家进一步探索这一大胆的新领域
像一些地面望远镜一样，韦伯配备了一种叫做日冕的特殊光学系统，这种系统使用设计用来遮挡尽可能多的星光的面具来研究微弱的系外行星和发现新的世界
韦伯任务早期的两个目标是行星系统51号和HR 8799
在几十个直接成像的行星中，天文学家计划使用韦伯来详细分析离地球最近的系统，这些系统中的行星与恒星的距离最大
这意味着它们离恒星的眩光足够远，可以被直接观察到
HR 8799系统距离地球133光年，距离地球51光年
韦伯的行星目标 韦伯任务早期的两个观测项目结合了近红外光谱仪的光谱能力以及近红外摄像机和中红外仪器(MIRI)的成像能力，以研究HR 8799系统中的四颗巨型行星
在第三个项目中，研究人员将使用NIRCam分析51里达尼的巨大行星
这张木星大小的太阳系外行星围绕附近的恒星51运行的发现图像是由双子座行星成像仪在2014年用近红外光拍摄的
明亮的中心星隐藏在图像中心的一个面具后面，以便能够探测到这颗比51颗恒星暗100万倍的系外行星
这颗系外行星位于距离其恒星110亿英里的行星系统外围
韦伯将在天文学家很少使用的红外波长上探测这颗行星的大气层，以拍摄遥远的世界
学分:国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA，J
拉莫(蒙特利尔大学)，和C
赫尔茨贝格加拿大国家研究委员会 HR 8799系统中的四颗巨行星每个大约有10颗木星质量
它们围绕着一颗比太阳稍大的恒星运行，距离该恒星超过140亿英里
51里达尼的巨大行星是木星质量的两倍，离一颗类似太阳的恒星大约110亿英里
两个行星系统都有面向地球的轨道
这种定位给天文学家提供了一个独特的机会，让他们可以鸟瞰整个系统，就像观察射箭靶上的同心圆环一样
许多发现于其恒星外轨道的系外行星与我们太阳系的行星大不相同
在这个外层区域发现的大多数系外行星，包括HR 8799中的那些，质量在5到10个木星之间，使它们成为迄今为止发现的最大质量的行星
这些外系行星相对来说比较年轻，从几千万年到几亿年——比我们太阳系的4个要年轻得多
50亿年
所以它们仍然因自身形成的热量而发光
这些系外行星的图像本质上是婴儿照片，揭示了年轻时的行星
韦伯将探索中红外波段，这是天文学家以前很少用来拍摄遥远世界的波段
这种红外“窗口”很难从地面上观察到，因为它是从地球大气中发射和吸收的
“韦伯的强项是不受约束的中红外波段的光，”夏威夷大学希洛分校的克劳斯·霍达普说，他是HR 8799系统近红外光谱观测的首席研究员
“地球大气层很难穿越
我们大气中的主要吸收分子阻止我们看到行星中有趣的特征
" 加州帕萨迪纳美国国家航空航天局喷气推进实验室的查尔斯·北辰曼说，中红外“是韦伯真正做出开创性贡献的区域，有助于理解什么是特殊的分子，什么是我们希望发现的大气特性，而这些特性我们并不是仅仅从较短的近红外波长中获得的。”他是近红外照相机和MIRI对HR 8799系统观测的首席研究员
“我们将在地面观测站的基础上再接再厉，但我们的目标是在没有韦伯的情况下，以一种不可能实现的方式扩大观测范围
" 这段视频显示了四颗木星大小的系外行星在附近的HR 8799系统中绕着它们的恒星运行数十亿英里
行星系统面向地球，给天文学家一个独特的鸟瞰行星运动的视角
系外行星离它们的恒星如此之远，以至于它们需要几十年到几个世纪才能完成一个轨道
该视频由该系统在7年时间里拍摄的7张照片组成
M
夏威夷莫纳基亚岛上的凯克天文台
凯克的日冕挡住了大部分星光，因此可以看到更暗、更小的系外行星
荣誉:王凯峰(加州理工学院)和克里斯蒂安·马罗(赫尔茨贝格自然资源保护委员会) 行星是如何形成的？ 研究人员在这两个系统中的主要目标之一是利用韦伯来帮助确定系外行星是如何形成的
它们是通过恒星周围的圆盘中积累的富含碳等重元素的物质创造出来的吗，就像木星可能做的那样？或者，它们是从氢云的崩溃中形成的，像恒星一样，在重力的无情拉动下变小了吗？ 大气构成可以为行星的诞生提供线索
“我们想了解的事情之一是这些元素在这些行星形成过程中的比例，”北辰说
“特别是，碳和氧的对比告诉你很多关于形成地球的气体来自哪里的信息
它是来自一个吸积了许多较重元素的圆盘，还是来自星际介质？所以这就是我们所说的碳氧比，它很好地指示了形成机制
" 为了回答这些问题，研究人员将使用韦伯探测器更深入地探索系外行星的大气层
例如，NIRCam将测量甲烷等元素的大气指纹
它还将观察云的特征和这些行星的温度
马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的马歇尔·佩林说:“我们已经从地面设施中获得了大量近红外波长的信息。”
“但韦伯的数据将更加精确、更加敏感
我们将有一套更完整的波长，包括填补你无法从地面获得这些波长的空白
" 天文学家还将利用韦伯及其高超的灵敏度来寻找远离恒星的质量较小的行星
“从地面观测来看，我们知道这些大质量的行星相对较少，”佩林说
“但我们也知道，对于系统的内部，质量较低的行星比质量较大的行星要常见得多
所以问题是，这些进一步的分离也成立吗？”北辰补充道，“韦伯在寒冷的太空环境中的行动使得搜寻更微弱、更小的行星成为可能，而从地面是无法探测到的
" 这段视频显示了一颗木星大小的系外行星，从附近一颗类似太阳的恒星51里达尼绕远轨道运行，距离大约110亿英里
行星系统面向地球，给天文学家一个独特的鸟瞰地球运动的视角
该视频由智利双子座南望远镜的双子座行星成像仪四年来拍摄的五幅图像组成
双子座的日冕挡住了大部分星光，因此可以看到更暗、更小的系外行星
信用:王凯峰(加州理工学院)/双子行星成像仪系外行星调查 另一个目标是理解迄今为止发现的无数行星系统是如何形成的
佩兰说:“我认为我们发现太阳系存在巨大的多样性。”
“你的系统中，这些炽热的木星行星的轨道非常接近
你有你没有的系统
你的系统中有一个10木星质量的行星，而你的系统中没有比几个地球更大的质量
我们最终想了解行星系统形成的多样性是如何取决于恒星的环境、恒星的质量以及其他各种因素的，并最终通过这些人口水平的研究，我们希望将我们自己的太阳系置于背景中
" HR 8799的近红外光谱观测和51号的近红外光谱观测是保证时间观测项目的一部分，该项目将在今年晚些时候韦伯发射后不久进行
HR 8799的近红外和MIRI观测是两个仪器团队的合作，也是保证时间观测计划的一部分
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